устройство для выявления газонасыщенных слоев на титановых сплавах

Формула изобретения

Устройство для выявления газонасыщенных слоев на титановых сплавах, содержащее задающий генератор, вихретоковый преобразователь с намотанной на нем низкочастотной обмоткой, переменный конденсатор, переменный резистор, разделительный трансформатор, переключатель, индикатор и последовательно соединенные соответственно первый амплитудный детектор, первую схему установки нуля, модуляционный усилитель, вторую схему установки нуля, отличающееся тем, что в него добавлены первая и вторая катушки индуктивности, резистор, двухконтурный автогенератор, второй амплитудный детектор, третья и четвертая схемы установки нуля и сумматор, причем вихретоковый преобразователь содержит также высокочастотную обмотку, первая и вторая катушки индуктивности, резистор, низкочастотная обмотка, переменные конденсатор и резистор образуют четырехплечий мост, состоящий из параллельно соединенных верхней и нижней ветвей, верхняя ветвь образована последовательно соединенными левым и правым плечами, левое плечо представляет последовательно соединенные первую катушку индуктивности и резистор, правое плечо представляет параллельно соединенные вторую катушку индуктивности и низкочастотную обмотку вихретокового преобразователя, нижняя ветвь образована последовательно соединенным левым и правым плечами, левое плечо образовано переменным конденсатором, правое плечо образовано переменным резистором, точки соединения верхней и нижней ветвей являются входом моста, подключенным к выходу задающего генератора, правая точка соединения верхней и нижней ветвей соединена с корпусом, точки соединения левых и правых плеч моста нижней и верхней ветвей являются выходом моста, подключенным к первичной обмотке разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу первого амплитудного детектора, высокочастотная обмотка вихретокового преобразователя является элементом основного параллельного колебательного контура двухконтурного автогенератора, подключенного выходом ко входу второго амплитудного детектора, выход которого соединен со входом третьей схемы установки нуля, при этом переключатель выполнен трехпозиционным с возможностью подключения в первом положении низкочастотного канала к индикатору переключения его с низкочастотного канала на вход высокочастотного - во втором положении и отключения в третьем положении выхода высокочастотного канала от индикатора и подключения его ко входу сумматора с подключением к другому его входу выхода низкочастотного канала и подключения индикатора к четвертой схеме установки нуля, причем конструкция вихретокового преобразователя выполнена так, что между краем низкочастотной обмотки, являющимся рабочим торцом этой обмотки, и рабочим торцом сердечника вихретокового преобразователя имеет зазор значением 200-500 мкм, высокочастотная обмотка намотана на свободный от низкочастотной обмотки части сердечника у его рабочего торца, конструктивно вихретоковый преобразователь, двухконтурный автогенератор и второй амплитудный детектор размещены в корпусе датчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к выявлению газонасышенных слоев (-слоев) на титановых сплавах, а также к измерению шероховатости поверхности и толщины электро- и неэлектропроводящих покрытий немагнитных электропроводящих изделий.

Известно устройство для выявления -слоев на титановых сплавах, состоящее из последовательно соединенных двухконтурного автогенератора, в основной контур которого включен вихретоковый преобразователь, амплитудного детектора, схемы установки нуля и индикатора. Рабочая частота этого устройства составляет несколько сотен мегагерц [1].

Недостатками устройства является отсутствие отстроек от изменения электропроводности бездефектных участков контролируемого изделия, от шероховатости и неровности поверхности контролируемого изделия и от зазора между рабочим торцом вихретокового преобразователя и поверхностью контролируемого изделия.

Наиболее близким изобретению является устройство для выявления -слоев на титановых сплавах, состоящее из последовательно соединенных задающего генератора, последовательного колебательного контура, содержащего вихретоковый преобразователь, амплитудного детектора, первой схемы установки нуля, модуляционного усилителя, второй схемы установки нуля и индикатора. Рабочая частота этого устройства находится около одного мегагерца. С помощью данного устройства можно выявлять -слои на титановых сплавах с отстройками от изменений электропроводности бездефектных контролируемых участков и от шероховатости и неровности поверхности контролируемого изделия [2].

Недостатками устройства являются маленький диапазон отстройки от электропроводности, сложная, опосредованная, с применением алюминиевой фольги, отстройка от шероховатости и неровности поверхности контролируемого изделия и отсутствие отстройки от зазора между рабочим торцом вихретокового преобразователя и поверхностью контролируемого изделия.

Целью изделия является существенное увеличение диапазона отстройки от влияния изменения электропроводности бездефектных участков контролируемых изделий и эталонных образцов, непосредственная отстройка от зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемым изделием, непосредственная отстройка от шероховатости и неровности поверхностей контролируемых изделий при выявлении -слоев на титановых сплавах, а также измерение шероховатости поверхности и толщины электро- и неэлектропроводящих покрытий немагнитных электропроводящих изделий с отстройкой от электропроводности основы металла.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее задающий генератор, вихретоковый преобразователь, с намотанной на нем низкочастотной обмоткой, переменный конденсатор, переменный резистор, разделительный трансформатор, переключатель, индикатор и последовательно соединенные соответственно первый амплитудный детектор, первую схему установки нуля, модуляционный усилитель, вторую схему установки нуля, добавлены первая и вторая катушки индуктивности, резистор, двухконтурный автогенератор, второй амплитудный детектор, третья и четвертая схемы установки нуля и сумматор, причем вихретоковый преобразователь содержит также высокочастотную обмотку, первая и вторая катушки индуктивности, резистор, низкочастотная обмотка вихретокового преобразователя, переменные конденсатор и резистор образуют четырехплечий измерительный мост, состоящий из параллельно соединенных верхней acb и нижней adb ветвей, верхняя ветвь acb образована последовательно соединенными левым ас и правым cb плечами, левое плечо ас представляет последовательно соединенные первую катушку индуктивности и резистор, правое плечо cb представляет параллельно соединенные вторую катушку индуктивности и низкочастотную обмотку вихретокового преобразователя, нижняя ветвь adb образована последовательно соединенными ad и правым db плечами, левое плечо ad образовано переменным конденсатором, правое плечо db образовано переменным резистором, вершины моста а и b являются входом моста, подключенным к выходу задающего генератора, вершина b соединена с корпусом, вершины c и d являются выходом моста, подключенным к первичной обмотке разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу первого амплитудного детектора, высокочастотная обмотка вихретокового преобразователя является элементом основного параллельного контура двухконтурного автогенератора, подключенного выходом ко входу второго амплитудного детектора, выход которого соединен со входом третьей схемы установки нуля, выход которой подключен к третьему контакту переключателя, сумматор, четвертая схема установки нуля и второй контакт переключателя соединены соответственно последовательно, выход второй схемы установки нуля соединен с первым контактом переключателя, четвертый, девятый, одиннадцатый контакты переключателя и индикатор электрически соединены вместе, шестой и двенадцатый контакты переключателя подключены к выходам сумматора, первый контакт переключателя может поочередно подключатся к четвертому, нейтральному, ни к чему не подключенному, и шестому его контактам, одновременно и соответственно с этими переключениями второй контакт переключателя - к седьмому, нейтральному, ни к чему не подключенному и девятому его контактам, а третий контакт переключателя - к десятому, одиннадцатому и двенадцатому его контактам, конструкция вихретокового преобразователя выполнена таким образом, что между краем низкочастотной обмотки, являющимся рабочим торцом этой обмотки и рабочим торцом сердечника вихретокового преобразователя, имеется зазор, значением 200-500 мкм, высокочастотная обмотка намотана на свободный от низкочастотной обмотки части сердечника у его рабочего торца, конструктивно вихретоковый преобразователь, двухконтурный автогенератор и второй амплитудный детектор размещены в корпусе датчика.

Сопоставление заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство имеет новые блоки: четырехплечий измерительный мост, двухконтурный автогенератор, второй амплитудный детектор, третью и четвертую схемы установки нуля, сумматор и их связи с остальными блоками схемы. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что новая совокупность блоков и введенные связи позволяли получать новые технические свойства: существенно больший диапазон отстройки от электропроводности, непосредственную отстройку от шероховатости поверхностей контролируемых изделий и отстройку от зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемым изделием. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2 - схематичное изображение конструкции вихретокового преобразователя; на фиг.3 - пример выполнения устройства; на фиг.4 - изображение комплексной плоскости приведенных напряжений измерительного моста; на фиг.5 - годографы, поясняющие настройку на большой диапазон отстройки от электропроводности на низкой и высокой частотах.

Устройство содержит задающий генератор 1, к выходу которого подключен вход четырехплечего измерительного моста, в верхней ветви acb левое плечо ас образовано последовательно соединенными первой катушкой индуктивности 2 и резистором 3, правое плечо cb образовано параллельно соединенными второй катушкой индуктивности 4 и низкочастотной обмоткой вихретокового преобразователя 12, в нижней ветви adb левое плечо ad образованно переменным конденсатором 5, правое плечо db образовано переменным резистром 6, вершины а и b являются входом моста, вершина b соединена с корпусом, вершины c и d являются выходом моста, подключенным к первичной обмотке разделительного трансформатора 7, вторичная обмотка которого подключена ко входу последовательно соединенных соответственно первого амплитудного детектора 8, первой схемы установки нуля 9, модуляционного усилителя 10, второй схемы нуля 11, и первого контакта переключателя 16, высокочастотная обмотка вихретокового преобразователя 12 является элементом основного параллельного колебательного контура двухконтурного автогенератора 13, соединенного выходом со входом последовательно соединенных соответственно второго амплитудного детектора 14, третьей схемы установки нуля 15 и третьего контакта переключателя 16, сумматор 17, четвертая схема установки нуля 18 и второй контакт переключателя 16 соединены соответственно последовательно, шестой и двенадцатый контакты переключателя 16 подключены ко входам сумматора 17, четвертый, девятый и одиннадцатый контакты переключателя 16 и индикатор 19 электрически соединены вместе, пятый и восьмой контакты переключателя 16 ни к чему не подключены, первый контакт переключателя 16 может поочередно подключаться к четвертому, пятому и шестому его контактам, одновременно и соответственно с этими переключениями второй контакт переключателя 16 подключается к седьмому, восьмому и девятому его контактам, а третий контакт переключателя 16 - к десятому, одиннадцатому и двенадцатому его контактам, конструкция вихретокового преобразователя выполнена таким образом, что между краем низкочастотной обмотки, являющимся рабочим торцом этой обмотки и рабочим торцом сердечника вихретокового преобразователя имеется зазор значением 200-500 мкм, высокочастотная обмотка имеет один виток, намотанный на свободной от низкочастотной обмотки части сердечника у его рабочего торца, что поясняется схематичным изображением вихретокового преобразователя 12 на фиг.2, конструктивно вихретоковый преобразователь 12, двухконтурный автогенератор 13 и второй амплитудный детектор 14 собраны в корпусе датчика.

Режим выявления -слоев заявляемым устройством имеет следующие свойства. Практически, а также по годографам вносимого сопротивления вихретокового преобразователя, имеющимся в технической литераторе, установлено, что чувствительности вихретокового преобразователя к -слою по модулю приращения сопротивления вихретокового преобразователя на частотах около одного МГц и несколько сотен МГц примерно одинаковы. Этот факт был подтвержден также следующим образом. С помощью расчетов и геометрических построений было установлено, что отношение приращения модуля вносимого сопротивления вихретокового преобразователя от влияния -слоя к приращению аналогичного модуля от влияния изменения в практических пределах электропроводности основы металла, на которой находиться -слой, на частотах несколько сотен МГц примерно в четыре раза больше, чем на частотах около одного МГц. Однако при этом влияние немагнитного электропроводящего полупространства на сопротивление вихретокового преобразователя на частотах несколько сотен МГц в четыре раза меньше, чем на частотах около одного МГц, что очевидно из известных годографов сопротивления вихретокового преобразователя [3]. Это подтверждает вышеуказанный факт.

При этом с увеличением толщины -слоя от нуля и больше значение электропроводности -слоя уменьшается от значения электропроводности основы металла. Этот факт сдвигает годограф -слоя к годографу обобщенного параметра контроля . Информационными параметрами выявления -слоев на частоте около одного МГц являются толщина -слоя и электропроводоность, а на частоте несколько сотен МГц вследствие небольшой глубины проникновения вихревых токов в металл - только электропроводность. Эти факты позволяют выявлять -слои с одновременным применением двухпараметровой отстройки от электропроводности на частоте около одного МГц, автогенераторной отстройки от электропроводности на частотах несколько сотен МГц и двухчастотной отстройки от зазора. При этом отстройка от -слоя практически любых толщин от нуля до максимально возможных (несколько десятков мкм) исключается. Вышеприведенные свойства выявления -слоев заявляемым устройством поясняются годографами, приведенными на фиг.5. За основу построения годографов брались годоргафы вносимого сопротивления вихретокового преобразователя, расположенного над полупространством и проводящим полупространством, покрытым проводящим слоем [3].

Значения обобщенного параметра контроля для трех значений электропроводности ₁=0,5 МСм/м, ₂=0,7 МСм/м, ₃=1,2 МСм/м для двух частот F₁=0,5 МГц и F₂= 500 МГц, применяемые для построения годографов, приведенных на фиг.5, брались из следующих расчетов.

На частоте F₁=0,5 МГц







На частоте F₂=500 МГц







Значения элементов моста соответственно большому диапазону отстройки по амплитуде выходного напряжения моста от электропроводности образцов и бездефектных участков контролируемых изделий были подобраны практически. При этом математическое доказательство данного диапазона, а также наличия необходимой чувствительности данного моста к зазору и, следовательно, к -слою состоит в следующем.

Примем следующие обозначения элементов моста соответственно фиг.1.

Сопротивление низкочастотной обмотки вихретокового преобразователя 12 при влиянии на него металла - R_н1+j₁L_н1, индуктивность этой обмотки при отсутствии влияния металла - L_н1в, индуктивность первой катушки индуктивности 2 - L₂, емкость переменного конденсатора 5 - С₃, сопротивление переменного резистора 6 - R₄, индуктивность первой обмотки разделительного трансформатора 7 - L_сн. Здесь следует отметить, что вторая катушка индуктивности 4 служит для компенсации емкости соединительного высокочастотного кабеля, сопротивление этой катушки компенсируется этой емкостью и поэтому не влияет на работу моста.

Данное доказательство осуществляется с помощью комплексной плоскости напряжений U_bc, U_bd, U_ba (U_вх), U_dc (U_вых) мостa, на которую нанесены значения потенциалов вершин с и d моста при двух вариантах значений R₄ и С₃: 1) R₄=5 кОм, С₃= 100 пФ, 2) R₄=20 кОм, С₃=150 пФ, при разных значениях электропроводности металла под вихретоковым преобразователем и при двух значениях обобщенного параметра зазора: =0,1 и =0,2.

Необходимо отметить, что большое значение для настройки регулируемых элементов моста на большой диапазон отстройки от электропроводности имеет первичная обмотка разделительного трансформатора 7 вследствие того, что, во-первых, при регулировке значений R₄ и С₃ довольно значительно смещаются на комплексной плоскости напряжений моста и годограф изменения электропроводности и точка d, и во-вторых, при изменении электропроводности металла под вихретоковым преобразователем смещается также точка d. При этом влияние вторичной обмотки разделительного трансформатора 7 на отстройку от электропроводности отсутствует, так как входное сопротивление первого амплитудного детектора 8 практически равно бесконечности.

Следует отметить, что настройка регулируемых элементов (R₄ и С₃) моста на большой диапазон отстройки от электропроводности выражается в том, что годограф селективного подавления (ГСП) большего радиуса, чем радиус части годографа электропроводности в требуемом диапазоне отстройки, переходит в ГСП меньшего радиуса, чем радиус этой части годографа электропроводности. Следовательно, ГСП и часть годографа электропроводности могут совпадать в большом диапазоне, что означает большой диапазон отстройки от электропроводности (фиг.5).

Было также математически доказано (это доказательство здесь не приводится), что движение точки d на комплексной плоскости напряжений моста при изменении электропроводности не ухудшает качество отстройки от электропроводности. При этом, если траектория точки d имеет нулевую длину, то есть является точкой, то она может располагаться только в центре окружности, являющейся ГСП. Если траектория точки d увеличивает свою длину от нуля и больше, то эта траектория при этом может или проходить через данный центр окружности, или приближаться от данного центра к годографу электропроводности, совпадающему с ГСП, или удаляться от данного центра и годографа электропроводности, совпадающего с ГСП.

Следует отметить, что для одной и той же формы и длины ГСП, совпадающего с годографом электропроводности, форма и длина траектории точки d может несколько изменяться, что увеличивает возможность реализации отстройки от электропроводности.

Расчет потенциалов _c и _d осуществляется методом узловых потенциалов [4, стр. 47-49] для двух вариантов значений R₄ и С₃: 1) R₄=5 кОм, С₃=100 пФ, 2) R₄=20 кОм, С₃=150 пФ, для пяти значений обобщенного параметра контроля : 0; 2,1; 2,5;3,7, и для двух значений обобщенного параметра зазора: =0,1 и =0,2.

Расчет ведется соответственно схеме моста на фиг.1. Прежде всего отмечаем, что значения потенциалов _a и _b нам известно: _a=4В - этот потенциал равен значению входного напряжения U_ba моста, _b=0, так как вершина b соединена с корпусом.

Составляем уравнения по закону Киргофа для вершин моста с и d:



где J₂, J_сн, J₁, J₃, J₄ - точки соответственно плеча ас, первичной обмотки разделительного трансформатора 7, плеча сb, плеча ad и плеча db.

Подставляем в данные уравнения выражения для токов через потенциалы вершин моста и сопротивления плеч и первичной обмотки разделительного трансформатора 7.

Таким образом мы получили систему двух уравнений с двумя неизвестными _c и _d, которое требуется рассчитать по данным уравнениям.

Освобождаемся от нахождения j в знаменателе.

Раскрываем скобки:



Группируем сомножители для одинаковых потенциалов.

Из второго уравнения выражаем _d через _c



Подставляем полученное выражение для _d первое уравнение.

Упрощаем это уравнение.

Освободимся от нахождения j в знаменателе.

Преобразовываем в форму удобную для численных расчетов.

Таким образом мы получили исходные уравнения (1) и (2) для численных расчетов потенциалов _c и _d. Теперь требуется рассчитать значения этих потенциалов для двух значений R₄ и С₃: 1) R₄=5 кОм, С₃=100 пФ, 2) R₄=20 кОм, С₃= 150 пФ, для значений сопротивления R_н и индуктивности l_н вихретокового преобразователя соответствующих следующим значениям : 0;2,1;2,5;3,7; и для двух значений обобщенного параметра зазора: =0,1 и =0,2.

Расчеты производятся в два этапа: 1) рассчитывается потенциал _c для двух вышеприведенных вариантов значений R₄ и С₃ без подстановки значений R_н, L_н и и 2) рассчитываются потенциалы _c и _d для вышеприведенных значений и .

Примем следующие значения элементов и режима работы моста: ₁=0.5 МГц, L₂=400 мкГ, R₂=820 Ом, L_н1в=400 мкГ, L_сн=400 мкГ.

После подстановки численых значений в уравнение (2) и вычислений получаем следующее уравнение потенциала _c

1) R₄=5*100 Ом, С₃=100 пФ.

2) R₄=2*10⁴ Ом, С₃=150 пФ.

Рассчитанные по уравнениям (3), (4), (1) значения потенциалов _c и _d помещены в таблицу 1. Значения R_н1 и L_н1 рассчитывались по годографам вносимого сопротивления вихретокового преобразователя [3, стр. 19-20] при значениях обобщенного параметра контроля : 0; 2,1; 2,5;3,7; и значениях обобщенного параметра зазора: =0,1 и =0,2.

По результатам расчетов построены диаграммы, приведенные на фиг.4.

Из диаграмм следует, что при регулировании параметров моста R₄ и С₃ годограф электропроводности и точка d довольно значительно смещаются на комплексной плоскости напряжений моста. Точка d на этой плоскости смещается также при изменении электропроводности металла и зазора под вихретоковым преобразователем.

Большое значение потенциалов _c и _d при R₄=20 кОм, С₃=150 пФ по сравнению со входным напряжением (U Lx=4В) можно объяснить тем, что цепь adcb (фиг.1) является последовательным колебательным контуром. При этом его реактивное сопротивление близко к резонансному



В результате чего через этот контур течет большой ток, создающий большое напряжение на вихретоковом преобразователе и резисторе R₄. (Это объяснение не совсем точно, так как при этом имеется влияние параллельного колебательного контура, состоящего из параллельно соединенных суммарных конденсатора С₃ с индуктивностью L_сн и индуктивности L₂).

Из данных диаграмм следует, что в данном измерительном мосте имеется большая вероятность отстройки от электропроводности в большом диапазоне. Наличие такой отстройки подтверждено практически испытаниями устройства, для чего использовались три образца с тремя значениями электропроводности: 0,5 МСм/м; 0,7 МСм/м и 1,2 МСм/м (результаты этих испытаний приведены в данной работе), а также образцы с другими значениями электропроводности.

Из данных диаграмм также следует негативный факт, что при влиянии зазора потенциала _c и _d смещаются в одну сторону, что уменьшает чувствительность моста к зазору и, следовательно, к -слою. Тем не менее в макете устройства при большом диапазоне отстройки от электропроводности имеется хорошая чувствительность к зазору (при h, равном 12 мкм, приращение тока индикатора составляет 150 мкА) и, следовательно, к -слою. При этом возникшее противоречие между хорошей чувствительностью к зазору макета устройства и уменьшением чувствительности к зазору выходного напряжения моста Udc соответственно данным диаграммам можно объяснить, во-первых, тем, что размеры траекторий потенциалов _c и _d при одних и тех же значениях R₄ и С₃ довольно значительно отличаются друг от друга, во-вторых, тем, что расчет данных диаграмм проводился не по реальным, а по приблизительным, предполагаемым значениям параметров элементов и, в-третьих, хорошая чувствительность к зазору обеспечивается большим усилением выходного напряжения моста Udc, которая позволила достичь хорошую стабильность режима контроля макета заявленного устройства.

Следует отметить, что необходимым условием наличия большого диапазона отстройки от электропроводности, как установлено практически, является наличие зазора значением около 50-ти мкм между рабочим торцом вихретокового преобразователя и поверхностью контролируемого изделия. Этот зазор выполнен в конструкции вихретокового преобразователя (фиг.2). При отсутствии этого зазора диапазон отстройки от электропроводности являются не очень большими. Здесь также можно отметить, что создание этого зазора с помощью диэлектрической прокладки нецелесообразно, так как при этом создается зазор не только между низкочастотной обмоткой и контролируемым изделием, но и между высокочастотной обмоткой и контролируемым изделием, что сильно уменьшает чувствительность вихретокового преобразователя на высокой частоте F₂.

Отстройка от электропроводности в высокочастотном канале осуществляется методом, аналогичным известному автогенераторному методу отстройки от зазора [5] . Приведем суть этого метода в применении к отстройки от электропроводности.

В высокочастотном канале устройства применен двухконтурный автогенератор. В режиме, применяемом в устройстве, этот автогенератор аналогичен одноконтурному автогенератору, контур которого состоит из параллельно соединенных вихретокового преобразователя и емкости.

Обозначим комплексное сопротивление высокочастотной обмотки вихретокового преобразователя Rв₁+j₂Lв₁, емкость конденсатора С.

Комплексное сопротивление параллельного колебательного контура одноконтурного автогенератора будет определяться формулами



При резонансе будет соблюдаться равенство



При этом комплексное сопротивление колебательного контура будет являться эквивалентным и будет иметь вид



Модуль эквивалентного сопротивления будет определяться формулой



Пусть индуктивность Lв₁ и сопротивление Rв₁ вихретокового преобразователя получат соответственно приращения Lв₁ и /Rв₁, при этом



Выразим данную формулу через относительные приращения числителя и знаменателя дроби



При этом очевидно, что если при изменении Lв₁ и Rв₁ будет соблюдаться равенство то модуль эквивалентного сопротивления |Z_э| меняться не будет, что соответствует отсутствию чувствительности параллельного колебательного контура одноконтурного автогенератора по модулю эквивалентного сопротивления к изменению модуля комплексного сопротивления вихретокового преобразователя.

Отсюда



Из годографа вносимого или комплексного сопротивления вихретокового преобразователя следует, что приращение ₂Lв₁ можно выразить через приращение Rв₁:

₂Lв₁ = tgRв₁, где - угол между линией, образованной продолжением линии вектора Rв₁+j₂Lв₁ до ее пересечения с осью активной составляющей вносимого или комплексного сопротивления вихретокового преобразователя и положительным направлением этой оси (фиг.5).

В соответствии с этим имеем



или



Это уравнение является условием отсутствия чувствительности одноконтурного автогенератора к изменению модуля комплексного сопротивления вихретокового преобразователя. Из данного уравнения следует, что вектор комплексного сопротивления вихретокового преобразователя Zв₁, равный Rв₁+j₂Lв₁ является годографом селективного подавления (ГСП) одноконтурного автогенератора, по которому отсутствует чувствительность одноконтурного автогенератора к изменению модуля Zв₁.

В режиме выявления -слоев на повышенных частотах двухконтурным автогенератором ГСП расположен таким образом, что при увеличении зазора выходное напряжение двухконтурного автогенератора увеличивается, а при уменьшении электропроводности - уменьшается. Такое влияние зазора и электропроводности аналогично установленному нами выше их влиянию на выходное напряжение одноконтурного автогенератора. Поэтому с некоторым приближением можно считать, что ГСП двухконтурного автогенератора в режиме выявления -слоев на повышенных частотах и ГСП одноконтурного автогенератора на этих же частотах совпадают.

Продолжим дальше выяснение принципа отстройки от электропроводности двухконтурным автогенератором. Известно применение двухконтурного автогенератора для вихретокового контроля с отстройкой от зазора. При этом отстройка от зазора объясняется следующим образом.

Элементы колебательных контуров регулируют таким образом, что собственная частота контура преобразователя устанавливается ниже собственной частоты второго контура. При этом при установке датчика на металл происходит сближение настроек обоих контуров за счет повышения собственной частоты основного контура, в результате чего коэффициент обратной связи возрастает, одновременно уменьшается добротность основного контура, что приводит к уменьшению коэффициента обратной связи, в результате чего коэффициент обратной связи не меняется, что соответствует отстройке от влияния зазора [6].

Очевидно, что аналогичное объяснение совпадения ГСП с годографом зазора соответствует и любому другому ГСП двухконтурного автогенератора.

Таким образом сделать вывод, что ГСП двухконтурного автогенератора приблизительно можно представить в виде прямой линии, которая при соответствующем регулировании параметров контуров может поворачиваться вокруг точки контура от ГСП, совпадающего с ГСП одноконтурного автогенератора, до ГСП, совпадающего с годографом зазора, и дальше.

Двухконтурный автогенератор имеет следующие основные параметры. Высокочастотная обмотка вихретокового преобразователя имеет один виток, намотанный проводом диаметром 0,07 мм на сердечник вихретокового преобразователя у его рабочего торца соответственно фиг.2.

Длина выводов высокочастотной обмотки составляет 15 мм. Конденсатор основного колебательного контура отсутствует. В качестве его емкости используется емкость монтажа. В качестве конденсатора вспомогательного контура применяется варикап, в качестве индуктивности этого контура применяется прямой отрезок провода диаметром 0,17 мм и длиной 10 мм.

При этом практически установлено, что при уменьшении напряжения на варикапе вспомогательного контура ГСП поворачивается по часовой стрелке и при определенном значении напряжения на варикапе ГСП совпадает с годографом электропроводности. В отличии от ГСП одноконтурного автогенератора ГСП двухконтурного автогенератора может не совпадать с прямой линией вследствие уменьшения рабочей частоты и собственных частот контуров при изменении комплексного сопротивления вихретокового преобразователя, что может уменьшить или увеличить диапазон отстройки от электропроводности.

При этом наличие большого диапазона отстройки от электропроводности было установлено практически.

Принцип отстройки от зазора заявляемым устройством состоит в следующем. При уменьшении зазора между вихретоковым преобразователем и металлом выходное напряжение низкочастотного канала уменьшается, а высокочастотного - увеличивается. Поэтому эти напряжения не на входы дифференциального усилителя, а на неинверсный вход сумматора. При этом регулированием коэффициента усиления, имеющего довольно большое значение, второй схемы установки нуля (то есть низкочастотного канала) отстраиваются от влияния зазора. Максимальный диапазон отстройки от зазора составляет 70 мкм. При этом приращения выходных напряжений от влияния зазора измерительного моста и двухконтурного автогенератора для зазора, меньшего 70 мкм, являются пропорциональными, что является условием двухчастотной отстройки от зазора.

Кроме двухчастотной отстройки от зазора для отстройки от шероховатости и неровности поверхности должно соблюдаться условие, чтобы на вихретоковый преобразователь на обеих частотах влияли одни и те же участки поверхности контролируемого изделия. Для проверки наличия этого условия вихретоковый преобразователь на низкой и высокой частотах подводили к краю образца, а при этом было отмечено, что край начинает влиять примерно на одинаковом от него расстоянии на вихретоковый преобразователь на частотах F₁ и F₂, что подтверждает наличие данного условия.

Все показания устройства при его наладке и при контроле учитываются при установке экстремума показаний (минимума или максимума) путем покачивания датчика.

Причем при контроле устанавливается минимум показаний и отстройка от зазора существенно упрощает нахождение этого минимума.

Взаимные влияния низкочастотного и высокочастотного каналов в данном устройстве отсутствуют, так как на высокой частоте сопротивление обмоток слишком большое и высокочастотный сигнал не проходит по низкочастотной обмотке, а на низкой частоте сопротивление высокочастотной обмотки слишком маленькое и низкочастотный сигнал не проходит по высокочастотной обмотке, вследствие чего в устройстве не требуется наличие частотного селектора.

Подбор числа витков низкочастотной обмотки вихретокового преобразователя осуществляется следующим образом.

Прежде всего отметим, что для этого низкочастотный канал прибора должен быть налажен по всем параметрам, за исключением тех, которые зависят от вихретокового преобразователя. Конструкция вихретокового преобразователя включает в себя ферритовый стержневой сердечник марки М 100 диаметром 1,2 мм, длиной 12 мм, на котором намотана низкочастотная обмотка по длине 4-5 мм проводом диаметром 0,05 мм. Между краем обмотки, являющимся ее рабочим торцом, и рабочим торцом сердечника должен иметься зазор 200-500 мкм.

К устройству с помощью разъема подключается высокочастотный кабель длиной 0,75-1 м. Свободный конец кабеля разделывается. На сердечник вихретокового преобразователя наматывается примерно 450 витков низкочастотной обмотки, и она подключается к оплетке и центральной жиле кабеля.

Влияние емкости кабеля компенсируется второй катушкой индуктивности 4, включенной параллельно низкочастотной обмотке вихретокового преобразователя, намотанной на стержневом ферритовом сердечнике марки М600, диаметром 3 мм, длиной 20 мм, проводом диаметром 0,07 мм и имеющей 150-300 витков.

Значение емкости конденсатора 5 устанавливается в области 100-150 пФ. Необходимо отметить, что при меньшем значении этой емкости, например 50 пФ, диапазон отстройки от электропроводности остается маленьким и плавной настройки на большой диапазон отстройки от электропроводности не происходит.

Значение сопротивления резистора 6 устанавливается любым в области 10-20 кОм.

Приготавливаются два образца из титановых сплавов электропроводностями 0,5 МСм/м и 0,7 МСм/м. Рабочие поверхности образцов должны быть полированными.

Включают устройство и прогревают его в течение трех минут. Опускают вихретоковый преобразователь с воздуха на образец электропроводностью 0,5 МСм/м. Показания индикатора устройства при этом немного уменьшатся. Периодически отматывают от обмотки вихретокового преобразователя по 10 витков и опускают его на образец.

При этом при числе витков, равном примерно четыремстам, появляется большая чувствительность вихретокового преобразователя к образцу, то есть при установке вихретокового преобразователя на образец показания индикатора сильно уменьшатся.

Устанавливают вихретоковой преобразователь на образец электропроводностью 0,7 МСм/м. При этом показания индикатора будут соответствовать влиянию уменьшения зазора при установке преобразователя на образце электропроводностью 0,5 МСм/м.

Продолжают периодически уменьшать число витков вихретокового преобразователя и устанавливать его на образец электропроводностью 0,5 МСм/м. При этом показания индикатора при уменьшении зазора переходят от уменьшения к увеличению и при некотором количестве витков только увеличиваются. При более меньшем количестве витков при уменьшении зазора показания индикатора опять уменьшаются, а влияние образца электропроводностью 0,7 МСм/м сначала аналогичны влиянию увеличения зазора при установке вихретокового преобразователя на образце электропроводностью 0,5 МСм/м, а затем при более меньшем количестве витков будут аналогичны влиянию уменьшения зазора. При этом перестают уменьшать число витков вихретокового преобразователя и увеличивают их до тех пор, пока показания индикатора не сравниваются при установке вихретокового преобразователя на образцах электропроводностями 0,5 МСм/м и 0,7 МСм/м.

На этом подбор числа витков преобразователя заканчивается. Это число витков равно примерно 250 - 300.

Вихретоковый преобразователь закрепляется в датчике приклеиванием эпоксидным клеем.

Устройство работает следующим образом. Для настройки прибора приготавливаются три эталонных образца из титановых сплавов электропроводностями 0,5 МСм/м и 0,7 МСм/м и 1,2 МСм/м. Рабочие поверхности образцов должны быть полированными. Приготавливается также листок размером примерно 3030 мм конденсаторной бумаги толщиной 12 мкм.

Переключатель 16 устанавливается в положение Р₁. При этом к индикатору подключается низкочастотный канал. Значение сопротивления резистора 6 устанавливается примерно 5 кОм. Коэффициент усиления второй схемы установки нуля устанавливается в максимальное положение.

Включается устройство и прогревается три минуты. Задающий генератор 1 вырабатывает синусоидальное напряжение частотой 0,5-0,8 МГц, которое поступает на вход измерительного моста, содержащего вихретоковый преобразователь 12. С выхода измерительного моста напряжение подается на разделительный трансформатор 7, после которого синусоидальное напряжение детектируется первым амплитудным детектором 8 и поступает на вход первой схемы установки нуля 9, которая применяется для грубой установки нуля тока индикатора. С выхода этой схемы продетектированное напряжение подается на вход модуляционного усилителя 10, которым усиливается, и с его выхода подается на вход второй схемы установки нуля 11, которая применяется для плавной установки нуля тока индикатора 19. Эта схема применяется также и для отстройки от зазора вследствие того, что имеется большое усиление. С выхода этой схемы напряжение поступает на первый контакт переключателя 16, подключенный к его четвертому контакту, соединенному с индикатором 19.

Регулированием емкости конденсатора 5 добиваются, чтобы при установке датчика на образцы электропроводностями 0,5 МСм/м 0,7 МСм/м показания индикатора 19 были равными. При этом при установке датчика на образец электропроводностями 1,2 МСм/м показания индикатора будут соответствовать влиянию увеличения зазора. Этот режим отстройки от электропроводности соответствует ГСП_н 1 на фиг.5.

Значение сопротивления резистора 6 устанавливают примерно 20 кОм. Регулированием емкости конденсатора 5 опять добиваются, чтобы при установке датчика на образцы электропроводностями 0,5 МСм/м и 0,7 МСм/м показания индикатора 19 были равными. При этом при установке датчика на образец электропроводностью 1,2 МСм/м показания индикатора будут соответствовать влиянию уменьшения зазора. Этот режим отстройки от электропроводности соответствует ГСП_н 1 на фиг.5.

Регулированием сопротивления резистора 6 в диапазоне от 5-ти до 20-ти и емкости конденсатора 5 добиваются, чтобы показания индикатора 19 были равными при установке датчика на образцы электропроводностями 0,5 МСм/м 0,7 МСм/м и 1,2 МСм/м. Этот режим отстройки от электропроводности соответствует ГСП_н 3 на фиг.5 и имеет большой диапазон отстройки. В данном режиме при уменьшении зазора ток индикатора уменьшается. С помощью конденсаторной бумаги проверяется чувствительность к зазору размером 12 мкм на образцах 0,5 МСм/м, 0,7 МСм/м и 1,2 МСм/м, при этом приращение тока индикатора от зазора 12 мкм составляет примерно 150 мкА, что также свидетельствует и о хорошей чувствительности к -слою.

Здесь необходимо отметить, что низкочастотный сигнал не имеет электрических наводок на емкость кабеля, поэтому перемещение датчика в пространстве не влияет на значение тока индикатора. Забегая вперед, отметим, что в высокочастотном канале такие наводки имеются, в результате чего перемещение датчика в пространстве стрелка индикатора перемещается, даже если влияние металла на вихретоковый преобразователь не меняется или отсутствует.

Если поверхность контролируемого изделия является не шероховатой и ровной и отстройки от шероховатости и неровности поверхности не требуется, то можно контроль производить только на низкочастотном канале без отстройки от зазора при данной настройке низкочастотного канала.

При этом можно также измерять шероховатость поверхности и толщину электро- и неэлектропроводящих покрытий немагнитных электропроводящих изделий.

Если требуется отстройка от шероховатости, неровности поверхности, то переключатель 16 переключают в положение Р₂. При этом от индикатора отключается низкочастотный канал и подключается высокочастотный.

Двухконтурный автогенератор 13 вырабатывает синусоидальное напряжение частотой 300-500 МГц. Это напряжение детектируется вторым амплитудным детектором 14. Продетектированное напряжение поступает на вход третьей схемы установки нуля 15, с выхода которого подается на третий контакт переключателя 16, подключенный к его десятому контакту, соединенному с индикатором 19.

При этом необходимо учитывать, что на подсоединительные провода датчика на высокой частоте имеются наводки, вследствие чего перемещение датчика в пространстве меняет показания индикатора. Для устранения этого явления образцы должны находиться достаточно близко друг к другу.

Постоянное напряжение на варикапе двухстороннего автогенератора устанавливают максимальным. Датчик размещают последовательно на трех образцах электропроводностями 0,5 МСм/м, 0,7 МСм/м и 1,2 МСм/м. При этом влияние образца электропроводностью 0,7 МСм/м будет аналогично влиянию увеличения зазора по отношению к образцу электропроводностью 0,5 МСм/м, а влияние образца электропроводностью 1,2 МСм/м будет аналогично также влиянию увеличения зазора по отношению к образцу электропроводностью 0,7 МСм/м. Этот режим отстройки соответствует ГСП_в1 на фиг.5.

Напряжение на варикапе устанавливают минимальным, при котором еще не наступает срыв автоколебаний. Повторяют предыдущие операции. При этом указанные зависимости меняются на обратные, то есть в данных зависимостях увеличение зазора меняется на его уменьшение. Этот режим отстройки соответствует ГСП_в2 на фиг.5.

Регулированием напряжения на варикапе добиваются того, чтобы показания индикатора при установке датчика на всех трех образцах электропроводностями 0,5 МСм/м, 0,7 МСм/м и 1,2 МСм/м были одинаковыми, что соответствует большому диапазону отстройки от электропроводности. Этот режим отстройки соответствует ГСП_в3 на фиг.5. В данном режиме при уменьшении зазора ток индикатора увеличивается.

С помощью конденсаторной бумаги толщиной 12 мкм проверяют чувствительность к зазору 12 мкм. Приращение тока индикатора от этого зазора для всех трех образцов составляет примерно 120 мкА.

Высокочастотный канал не является информационным, так как на комплексной плоскости сопротивлений вихретокового преобразователя на высокой частоте годограф -слоя практически совпадает с годографом электропроводности и при отстройке от электропроводности будет иметься также отстройка от -слоя. На данном канале можно также измерять шероховатость поверхности и толщину неэлектропроводящих покрытий немагнитных электропроводящих изделий. При этом толщину электропроводящих покрытий измерять не целесообразно вследствие малой глубины проникновения вихревых токов в металл.

Переключатель 16 устанавливается в положение Р₃. При этом выход высокочастотного канала отключается от индикатора 19 и подключается ко входу сумматора 17, к другому входу сумматора 17 подключается выход низкочастотного канала, и выход четвертой схемы установки нуля 18 подключается к индикатору 19.

Так как приращения выходных напряжений низкочастотного и высокочастотного каналов от влияния зазора имеют разные знаки, то в сумматоре 17 они взаимно вычитаются. Разностное напряжение с выхода сумматора 17 подается на вход четвертой схемы установки нуля 18, с выхода которой напряжение подается на второй контакт переключателя 16, подключенный к его седьмому контакту, соединенному с индикатором 19.

Регулированием коэффициента усиления второй схемы установки нуля 11, расположенной в низкочастотном канале с помощью диэлектрических прокладов отстраиваются от влияния зазора между рабочим торцом датчика и поверхностями образцов электропроводностями 0,5 МСм/м и 0,7 МСм/м. Диапазон отстройки составляет 70 мкм. При этом при установке датчика с воздуха на образец ток индикатора уменьшается. На образце с -слоем проверяют выявление -слоя. При этом по отклонению стрелки индикатора вправо судят о наличии -слоя под вихретоковым преобразователем. После чего устройство можно применять для контроля изделий.

При контроле, вследствии того что пространственное перемещение датчика меняет показания индикатора из-за высокочастотных наводок, в каждой локальной области поверхности контролируемого изделия размером примерно 2020 мм необходимо подставить нуль тока индикатора 19 с помощью третьей схемы установки нуля 15. Для этого на каждую такую локальную область перед контролем накладывается образец, на нем рабочим торцом размещается датчик и производится подстройка нуля тока индикатора 19, после чего осуществляется контроль в этой локальной области.

Все показания индикатора 19 при наладке устройства и при контроле учитываются при нахождении экстремума показаний (максимума и минимума) покачиванием датчика.

Конкретное устройство, соответствующее структурной схеме примера выполнения устройства, приведенной на фиг.2, имеет следующие основные параметры и их значения. Задающий генератор 1 собран на -диоде, состоящим из полевого транзистора 22 типа КП302В и полевого транзистора 23 типа КП103М. Параллельный колебательный контур задающего генератора состоит из катушки индуктивности 24 и конденсатора 25, причем катушка индуктивности 24 намотана без сердечника на каркасе диаметром 5 мм, длиной 15 мм, проводом диаметром 0,17 мм и имеет 180-300 витков, конденсатор 25 имеет емкость, равную 750 пФ. Значение резонансной частоты контура составляет 0,5-0,8 МГц.

Напряжение питания к -диоду подается со средней точки делителя напряжения, состоящего из двух резисторов 20-го и 21-го сопротивлениями соответственно 180 Ом и 1,2 кОм. Между средней точкой делителя и корпусом включен фильтрующий конденсатор 26 емкостью 10 пф. Выход генератора на -диоде соединен со входом согласующего каскада, представляющим собой неинвентирующий усилитель, собранный на определенном усилителе 27 типа КР140УД8А и резисторах 28, 29 и 30 номиналами 82 кОм и 470 кОм соответственно.

Выход согласующего каскада соединен со входом четырехплечего измерительного моста, плечо cb которого состоит из параллельно соединенных низкочастотной обмотки вихретокового преобразователя 12 и второй катушки индуктивности 4. Конструкция вихретокового преобразователя состоит из ферритового стержневого сердечника марки M100, диаметром 1,2 мм, длиной 12 мм, на котором намотана низкочастотная обмотка по длине 4-5 мм проводом диаметром 0,05 мм, имеющая 250-300 витков. Между краем обмотки, являющимся ее рабочим торцом, и рабочим торцом сердечника имеется зазор 200-500 мкм. Высокочастотная обмотка намотана на свободной от низкочастотной обмотки части сердечника у его рабочего торца проводом диаметром 0,07 мм и имеет один виток. Длина выводов высокочастотной обмотки составляет 15 мм. Вторая катушка индуктивности 4 применяется для компенсации емкости подводящего высокочастотного кабеля. Благодаря этой катушке индуктивности подводящий от вихретокового преобразователя к устройству кабель может быть достаточно длинным: около одного метра.

Намотана вторая катушка индуктивности 4 на ферритовом стержне марки М600 диаметром 3 мм, длиной 20 мм проводом диаметром 0,07 мм и имеет 150-300 витков. Плечо ас моста состоит из последовательно соединенных первой катушки индуктивности 2 и резистора 3 сопротивлением 820 Ом. Первая катушка индуктивности 2 намотана на кольцевом ферритовом сердечнике марки 1000 НМ размерами 32168 мм проводом диаметром 0,17 мм по периметру сердечника и имеет 50 витков.

Плечо db моста состоит из двух последовательно соединенных переменных резисторов 6 и 33 максимальными сопротивлениями 20 кОм и 470 Ом соответственно. Возможно, что сопротивление резистора 6 должно быть больше 20 кОм. Резистор 6 применяется для отстройки по R от электропроводности грубо, а резистор 33 - плавно.

Плечо ad состоит из параллельно соединенных постоянного конденсатора 32 емкостью 100 пФ, переменного конденсатора 31, максимальной емкостью 3,3 пФ, служащего для отстройки по С от электропроводности плавно, и переменного конденсатора 5 максимальной емкостью 50 пФ, служащего для отстройки по С от электропроводности грубо.

Выход измерительного моста подключен к первичной обмотке разделительного трансформатора 7, состоящего из кольцевого ферритового сердечника марки 1000 НМ размерами 32168 мм и намотанными по его периметру первичной обмотки, имеющей 50 витков, и вторичной обмотки, имеющей 80 витков, проводом диаметром 0,17 мм.

Вторичная обмотка разделительного трансформатора 7 подсоединена к входу первого амплитудного детектора 8, состоящему из диодов 34, 35 и конденсатора 36, емкостью 6,8 пФ.

Здесь необходимо отметить, что при макетировании других устройств, аналогичных данному макету, практически было установлено, что первый амплитудный детектор 8 был неработоспособен, то есть не детектировал переменное напряжение на его входе. При этом этот недостаток устранялся исключением из детектора диода 34 (фиг.3). Т.О. при наладке данного устройства необходимо практически установить, необходим диод 34 или нет в детекторе 8.

Выход амплитудного детектора 8 подключен к выходу первой схемы установки нуля 9. Необходимо отметить, что установка нуля в высокочастотном канале имеет одну особенность, отличающую ее от общепринятых аналогичных установок нуля. Особенность состоит в том, что если диапазон установки нуля второй схемы установки нуля 11 установить большим, то есть на инверсный вход операционного усилителя 64 второй схемы установки нуля подавать постоянное напряжение, регулируемое в большом диапазоне от отрицательного до нуля или от отрицательного до положительного, то низкочастотный канал будет иметь большие нестабильности, вследствие чего устройство невозможно использовать для выявления -слоев. Причина этих нестабильностей не установлена. При этом отмечено, что если это напряжение имеет большое отрицательное или близкое ему значение, то эта нестабильность отсутствует. Поэтому вторая схема установки нуля 11 имеет маленький диапазон установки нуля вблизи большого значения отрицательного напряжения, подаваемого на инверсный вход операционного усилителя 64 с помощью ручек "установка нуля плавно" переменного резистора 69 максимальным сопротивлением 3,3 кОм и "установка нуля еще плавней" переменного резистора 70 максимальным сопротивлением 150 Ом. Эти резисторы, а также постоянный резистор 68 сопротивлением 56 кОм соединены последовательно.

Здесь важно отметить, что хорошая стабильность низкочастотного канала позволила установить усиление второй схемы установки нуля 11 достаточно большим с помощью достаточно большого значения сопротивления обратной связи резистора 71. А это в свою очередь позволило применить в качестве этого резистора переменный резистор 70 максимальным сопротивлением 470 кОм, включить последовательно переменному резистору 71 переменный резистор максимальным сопротивлением 47 кОм и использовать эти резисторы для грубой и плавной отстроек от зазора регулированием коэффициента усиления второй схемы установки нуля 11.

Маленький диапазон регулирования отрицательного напряжения на инверсном входе усилителя 62 второй схемы установки нуля требует, чтобы напряжение на выходе модуляционного усилителя 10 было отрицательным и менялось в небольших пределах. Вследствие этого постоянное напряжение на входе модуляционного усилителя 10 тоже должно меняться в небольших пределах. При этом оно может быть и положительным и отрицательным. В примере устройства это напряжение установлено положительным тем, что первый амплитудный детектор 8 детектирует положительную полуволну выходного напряжения разделительного трансформатора 7. При этом вследствие того, что выходное напряжение измерительного моста при регулировке отстройки от электропроводности меняется в широких пределах, первая схема установки нуля 9 имеет широкий диапазон регулировки напряжения установки нуля ручками "установка нуля грубо 1" переменного резистора 37 максимальным сопротивлением 6,8 кОм и "установка нуля грубо 2" переменного резистора 38 максимальным сопротивлением 4,7 МОм.

Последовательно этому переменному резистору включен постоянный резистор 39 сопротивлением 82 кОм для того, чтобы при регулировке резисторов 37 и 38 первой схемы установки нуля напряжение на входе модуляционного усилителя не принимало отрицательных значений, что вследствие того, что в модуляционном усилителе 10 вместо демодулятора применен амплитудный детектор, на выходе которого не может быть положительного напряжения, приводят к ложной установке нуля, не обеспечивающей большого диапазона нуля при регулировании элементов моста. Здесь же отметим, что хотя демодулятор может иметь на его выходе и положительное и отрицательное напряжение, тем не менее вместо него применен амплитудный детектор по двум причинам: во-первых, он может иметь большую амплитуду его выходного напряжения, вследствие чего можно установить большое значение коэффициента усиления модуляционного усилителя 10, и, во-вторых, отмечено, что при применении демодулятора имеются нестабильности, которые отсутствуют при применении амплитудного детектора. Можно также отметить, что первый амплитудный детектор 8 и амплитудный детектор модуляционного усилителя не пропускают сигналы меньше примерно 300 мВ, что нужно учитывать при наладке низкочастотного канала устройства.

Первая схема установки нуля 9 представляет собой делитель напряжения, в котором, с целью устранения влияния дрейфа нуля первичных каскадов устройства на показания индикатора, отсутствует активный элемент (операционный усилитель). Состоит первая схема установки нуля 9 из двух переменных резисторов 37 и 38 максимальными сопротивлениями 6,8 кОм и 4,7 МОм соответственно и резисторов 39, 40, 41 сопротивлениями 82 кОм, 15 кОм и 6,2 кОм соответственно.

Кроме вышесказанного о первой схеме установки нуля 9, нужно учитывать, что при увеличении положительного напряжения на среднем выводе переменного резистора 37 "установка нуля грубо 1" до значения около +9 В, напряжение на выходе низкочастотного канала инвертируется, то есть переходит с увеличения на уменьшение. Это является нежелательным фактом. Для его устранения не следует регулировать сопротивление переменного резистора 37 до появления большого положительного напряжения на среднем выходе этого переменного резистора. При этом пределов установки нуля регулированием сопротивлений переменных резисторов 37 и 38 вполне хватает для наладки устройства и проведения контроля.

Вторая схема установки нуля 11 состоит из операционного усилителя 64 типа 140УД16, переменных резисторов 69, 70, 71, 72 максимальными сопротивлениями 3,3 кОм, 150 Ом, 470 кОм, 47 кОм соответственно и резисторов 65, 66, 67, 68 сопротивлениями 82 кОм, 47 кОм, 82 кОм и 56 кОм соответственно, причем переменные резисторы 71 и 72 используются для двухчастотной отстройки от зазора регулированием коэффициента усиления второй схемы установки нуля 11.

Модуляционный усилитель 10 позволяет получить большой коэффициент усиления продектированного напряжения при отсутствии дрейфа нуля усилителя методом преобразования входного постоянного напряжения в переменное, усиления этого переменного напряжения и преобразования усиленного напряжения обратно в постоянное.

Модулятор, преобразующий постоянное напряжение в переменное, состоит из двух транзисторов 42 и 43 типа МП26Б и двух резисторов 44 и 45 сопротивлениями по 2 кОм.

Модулирующее напряжение подается на модулятор от генератора, состоящего из двух транзисторов 49 и 50 типа МП26Б, четырех резисторов 47, 48, 51 и 52 номиналами 2 кОм, 6,2 кОм, 43 кОм и 47 кОм соответственно и трансформатора 53, причем сопротивления 51 и 52 в зависимости от параметров транзисторов 49 и 50 могут иметь и другие значения.

Трансформатор 53 состоит из кольцевого ферритового сердечника марки М2000НМ, размерами 402510, двух первичных включенных согласно обмоток из мультифилярного (то есть свитого) провода из 6-ти проводников проводом диаметром 0,17 мм, имеющим 70 окруток на метр, и составляющего 100 витков по периметру сердечника. Каждая первичная обмотка состоит из трех последовательно соединенных проводников мультифилярного провода (то есть имеет по 300 витков). Вторичная обмотка имеет 10 витков проводом диаметром 0,17 мм. Частота модулирующего напряжения составляет примерно 1 КГц. Трансформатор 46, с помощью которого модулирующее напряжение подается на модулятор, состоит из кольцевого ферритового сердечника марки 3000 НМ (размерами 32168) и двух одинаковых обмоток, имеющих по 100 витков, намотанных по периметру сердечника проводом диаметром 0,17 мм.

Модулированное напряжение через разделительный конденсатор 54 емкостью 0,33 кФ подается на выход не инверсного усилителя, состоящего из операционного усилителя 55 типа КР140УД8А и резисторов 56, 57, 58 и 59 сопротивлениями 82 кОм, 1 МОм, 82 кОм и 470 кОм соответственно, усиливается и через разделительный конденсатор 60 емкостью 0,33 мкФ подается на амплитудный детектор, состоящий из диодов 61, 62 и конденсатора 63 емкостью 0,33 мкФ и детектирующий отрицательную полуволну выходного напряжения не инверсного усилителя. Конденсатор 63 может иметь емкость также несколько мкФ. Причины, по которым вместо демодулятора применен амплитудный детектор, были указаны выше.

Выход второй схемы установки нуля 11 подключен к первому контакту переключателя 16, в качестве которого применен галетный переключатель.

Четвертый, девятый и одиннадцатый контакты переключателя присоединены к индикатору 19, в качестве которого используются стрелочный микроамперметр 77 типаМ285К с максимальным значением указываемого тока 100 мкА, и соединенный последовательно с микроамперметром 77 переменный резистор 78 с максимальным сопротивлением 20 кОм, которым может регулироваться чувствительность микроамперметра.

Высокочастотная обмотка вихретокового преобразователя 12 является элементом основного колебательного контура двухконтурного автогенератора.

В качестве емкости этого контура используется емкость монтажа. В качестве емкости вспомогательного контура используется емкость варикапа. В качестве индуктивности вспомогательного контура применяется прямой отрезок провода диаметром 0,17 мм и длиной около одного сантиметра, между коллектором и эмиттером активного элемента включен конденсатор емкостью 50-10 пФ. В качестве этой емкости может использоваться емкость монтажа. В качестве этого активного элемента можно использовать транзистор типа 2Т306г. Питание автогенератора осуществлено напряжением - 9 В, подаваемым через гасящий резистор сопротивлением 300 Ом на индуктивность второго контура и через нее на эмиттер транзистора.

На варикап напряжение подается через резисторы с усилителя напряжения, состоящего из двух переменных резисторов 75 и 76, максимальным сопротивлением 6,8 кОм и 150 Ом соответственно и служащих для отстройки от электропроводности грубо и плавно на высокой частоте. Вихретоковый преобразователь 12, автогенератор 13 и второй амплитудный детектор, детектирующий положительную полуволну выходного напряжения автогенератора 13, размещены в корпусе датчика. Вихретоковый преобразователь прикрепляется к датчику эпоксидным клеем. Датчик электрически соединен с устройством с помощью разъема, высокочастотного кабеля для низкочастотной обмотки и экранированных проводов для питания автогенератора, регулирования емкости варикапа, а также для выходного напряжения автогенератора.

Автогенератор 15, собранный на транзисторе, третья 15, четвертая 18 схемы установки нуля и сумматор 17, собранные на операционных усилителях являются обычными, не модуляционными и известны из технической литературы, поэтому подробные схемы их не приводятся. Можно добавить, что сопротивление обратной связи третьей схемы установки нуля 15 имеет значение примерно 6 МОм, а сопротивление связи инверсного входа этой схемы с корпусом имеет значение 81 кОм, что обеспечивает хорошую чувствительность высокочастотного канала, а сопротивление обратной связи четвертой схемы установки нуля 18-82 кОм. Стабильность высокочастотного канала является хорошей. Третья схема установки нуля 15 имеет три переменных резистора установки нуля: грубо, менее грубо и плавно, максимальными сопротивлениями 47 кОм, 1,5 кОм и 150 Ом соответственно, средний контакт резистора 47 кОм соединен с инверсным входом третьей схемы установки нуля 15 через резистор сопротивлением 230 кОм, четвертая схема установки нуля 18 имеет два переменных резистора установки нуля: грубо и плавно, максимальными сопротивлениями 47 кОм и 1 кОм соответственно, что обеспечивает большой диапазон и плавность установки нуля этими схемами.

Результаты испытаний макета заявляемого устройства приведены в таблицах 2-6.

Значение приращения тока индикатора от -слоя толщиной примерно 20 мкм в результатах данных испытаний составляет 60 мкА.

Заявляемое устройство позволяет при выполнении -слоев на титановых сплавах отстроиться в широких пределах от электропроводности бездефектных участков контролируемых изделий и эталонных образцов, от зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемым изделием, от шероховатости и неровности поверхностей контролируемых изделий, имеет хорошую чувствительность к -слою и стабильность контроля, а также позволяет измерить величину шероховатости поверхности и толщину электро- и неэлектропроводящих покрытий немагнитных электропроводящих изделий с отстройкой от электропроводности основы металла и тем самым повышает достоверность неразрушающего контроля.

Источники информации

1. Калинин Н.П., Остапенко В.Д. Контроль газонасыщенных слоев титановых сплавов вихревыми токами повышенной частоты. Дефектоскопия, 1983, 5, с. 15-21 (аналог).

2. Патент RU 2115115 (прототип).

3. Дякин В. В., Сандовский В.А. Теория и расчет накладных вихретоковых преобразователей. - М.: Наука, 1981, с. 19, 95, 97.

4. Веселовский О.Н., Браславский Л.М. Основы электротехники и электрические устройства радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Высшая школа, 1977, с. 47-49.

5. Патент RU 2073232.

6. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. - М.: Машиностроение, 1980, с. 116-120, 130-138.